CN116746042A - 栅极驱动电路以及电力变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种栅极驱动电路。栅极驱动电路控制施加在开关元件的栅极端子上的栅极电压，驱动所述开关元件，该栅极驱动电路具备根据流过所述开关元件的电流值检测过电流状态的过电流检测电路，向所述过电流检测电路输入与所述开关元件连接并向所述开关元件供给电力的电力供给线的监视电压，在所述监视电压为规定的阈值以上的情况下，所述过电流检测电路检测为过电压状态。

Description

栅极驱动电路以及电力变换装置

技术领域

本发明涉及一种栅极驱动电路以及电力变换装置。

背景技术

在驱动开关元件来相互变换直流电力和交流电力的电力变换装置中，已知有具备多个检测开关元件的过电流状态和施加在开关元件上的过电压状态的检测电路。

例如，作为测定高电压线的电压并进行过电压检测、执行过电压保护动作的技术，已知有专利文献1。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开WO 2012/077187号公报

发明内容

发明要解决的问题

在过电压检测部异常时，不能正常执行过电压保护动作，所以考虑过电压检测部的冗余化，但存在电路构成变得复杂、电路成本上升的问题。

解决问题的技术手段

本发明的栅极驱动电路控制施加在开关元件的栅极端子上的栅极电压，驱动所述开关元件，该栅极驱动电路具备根据流过所述开关元件的电流值检测过电流状态的过电流检测电路，向所述过电流检测电路输入与所述开关元件连接并向所述开关元件供给电力的电力供给线的监视电压，在所述监视电压为规定的阈值以上的情况下，所述过电流检测电路检测为过电压状态。

发明的效果

根据本发明，能够简化检测过电流状态或过电压状态的电路构成，抑制电路成本的上升。

附图说明

图1是电力变换装置的整体构成图。

图2是电力变换装置的详细构成图。

图3的(A)～(F)是表示传感器电路和过电流检测电路正常时的过电压保护的动作的时序图。

图4的(A)～(F)是表示传感器电路异常时的过电压保护的动作的时序图。

图5是电力变换装置的变形例的详细构成图。

图6的(A)～(F)是表示电力变换装置的变形例中的传感器电路异常时的过电压保护的动作的时序图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。以下的说明和附图是用于说明本发明的示例，为了使说明明确，适当进行省略和简化。本发明也可以以其他各种方式实施。只要没有特别限定，各构成要素可以是单数也可以是复数。

图1是电力变换装置200的整体构成图。

从高压电池902经由接触器903向电力变换装置200供给直流电力。电力变换装置200将该直流电力变换为交流电力，将交流电力供给到马达900。另外，低压电池10作为动作用电压供给到电力变换装置200内的控制器100、以及栅极驱动电路400a、400b等低电压侧LV。

电力变换装置200具备控制器100、栅极驱动电路400a、400b、构成逆变器电路的半导体装置300、构成DC-DC变换器的半导体装置301、分压电路141b等。栅极驱动电路400a驱动半导体装置300内的开关元件。栅极驱动电路400b驱动半导体装置301内的开关元件。

从省略图示的上位控制器向电力变换装置200的控制器100输入转矩指令、旋转指令等用于驱动马达的指令，控制器100根据指令向栅极驱动电路400a、400b输出PWM信号。

从高压电池902供给的电压从经过了平滑用电容器500a、电抗器302的电力供给线302a、302b供给到构成半导体装置301的两个串联连接的开关元件的中间连接点。

栅极驱动电路400b根据PWM信号使半导体装置301的开关元件进行开关动作，与电抗器302协同动作以使向马达900供给的直流电压升压的方式进行控制。即，栅极驱动电路400b驱动构成DC-DC变换器的开关元件。

从半导体装置301输出的电压从电力供给线300a、300b供给到构成半导体装置300的逆变器电路。逆变器电路具有构成3相的上下臂的开关元件。

栅极驱动电路400a根据PWM信号来驱动半导体装置300的开关元件，控制马达900的转矩、转速。即，栅极驱动电路400a驱动构成逆变器电路的开关元件。

半导体装置300、301的各开关元件具有感测发射极，将电流感测信号Es输出到栅极驱动电路400a、400b。

栅极驱动电路400a、400b以及后述的传感器电路140b通过绝缘元件101分离为高压侧HV和低压侧LV。

另外，在电力供给线300a、300b的正极P和负极N之间，并联设置有平滑用电容器500b和分压电路141b。分压电路141b在电力供给线300a的正极P和负极N之间串联连接多个电阻器而构成。为了检测过电压，由分压电路141b分压的电压作为HV监视电压输入到栅极驱动电路400b。在电力供给线300a、300b的正极P和负极N之间产生过电压的情况下，为了停止构成半导体装置301的DC-DC变换器的开关元件的动作而HV监视电压输入到栅极驱动电路400b。

此外，电力供给线300a、300b的正极P和负极N之间的电压被输入到传感器电路140b。传感器电路140b检测正极P和负极N之间的电压，将该电压检测信号V2输出到控制器100。进而，传感器电路140b检测正极P和负极N之间的过电压，将过电压检测信号OV2输出到AND门450的一方。PWM信号从控制器100输入到AND门450的另一方。由此，从控制器100向栅极驱动电路400b输出的PWM信号在输出了过电压检测信号OV2的情况下被切断。

在马达900上设有旋转位置传感器901，其检测值输出到控制器100。在半导体装置300的输出端子和电力变换装置200的输出端子之间设置电流传感器20，其检测值输出到控制器100。由此，控制器100根据马达900的转矩来控制电压、电流、转速。

另外，在图1中省略了图示，但也可以具有以下的构成。在电力供给线302a、302b的正极P和负极N之间，与平滑用电容器500a并联地设置分压电路，为了检测过电压，将由该分压电路分压的电压作为HV监视电压输入到栅极驱动电路400b。在电力供给线302a、302b的正极P和负极N之间产生过电压的情况下，为了停止构成半导体装置301的DC-DC变换器的开关元件的动作而HV监视电压输入到栅极驱动电路400b。此外，设置输入有电力供给线302a、302b的正极P和负极N之间的电压的传感器电路。该传感器电路检测正极P和负极N之间的电压，将该电压检测信号输出到控制器100。

另外，在以下的例子中，以将本实施方式应用于栅极驱动电路400b的情况为例进行说明，但也可以应用于栅极驱动电路400a。在应用于栅极驱动电路400a的情况下，检测过电压的产生，栅极驱动电路400a停止构成半导体装置300的逆变器电路的开关元件的动作。

图2是电力变换装置200的详细构成图。在图2中，栅极驱动电路400b图示了与下臂对应的电路，省略了与上臂对应的电路，但与上臂对应的电路也是相同的构成。在图2中，对与图1相同的部位标注相同的符号并省略其说明。

传感器电路140b具备比较器144，该比较器144检测电力供给线300a、300b的正极P和负极N之间的电压，检测电压V2被输入到控制器100。另外，检测电压V2被输入到比较器145的一方。阈值电压HV_OV2被输入到比较器145的另一端。因此，在检测电压V2超过阈值电压HV_OV2的情况下，比较器145将过电压检测信号OV2输出到AND门450的一方，切断从控制器100输出的PWM信号。

栅极驱动电路400b具备栅极驱动IC 410。栅极驱动IC 410由预驱动电路420、比较器430、放大器440、缓冲电路BF、绝缘元件101等构成。

在未输出过电压检测信号OV2的通常状态下，从控制器100输出的PWM信号经由缓冲电路BF、绝缘元件101输入到预驱动电路420。然后，作为驱动信号PWM_OUT从驱动电路421经由电阻器Rg施加到开关元件的栅极端子。即，栅极驱动电路400b控制施加在开关元件的栅极端子上的栅极电压，驱动开关元件。

电流感测信号Es从开关元件经由电阻器Rs输出。然后，施加在电阻器Rs的过电流检测电压经由二极管D5输出到比较器430的一方。阈值电压Vref被输入到比较器430的另一方。在过电流检测电压超过阈值电压Vref的情况下，比较器430经由缓冲电路BF使断开信号E_off从Low变为High。在断开信号E_off为High时，通过使FET成为导通状态，经由电阻器Rsft使施加于开关元件的栅极的端子G_off成为Low，使开关元件成为软断开。

由电阻器Rs、二极管D5、比较器430检测电流感测信号Es，由FET、电阻器Rsft关闭开关元件的电路是过电流检测电路，根据流过开关元件的电流值检测过电流状态，关闭开关元件。

为了过电压检测，由分压电路141b分压的电压作为HV监视电压，经由二极管D4与过电流检测电路的二极管D5的输出侧的检测线OC连接。即，过电流检测电路检测将电流值变换为电压值而输出的检测线OC的电压值，对电力供给线的电压进行分压后的分压电路141b的输出与该检测线OC连接。在检测线OC的电压值为规定的阈值以上的情况下，过电流检测电路检测为过电流状态或过电压状态。然后，在比较器430中检测到过电流状态或过电压状态的情况下，经由缓冲电路BF、绝缘元件101向控制器100输出不可信号FAIL。这样，在本实施方式中，能够简化检测过电流状态或过电压状态的电路构成，抑制电路成本的上升。进而，在传感器电路140b中也检测过电压，但能够简化电路构成，抑制电路成本的上升，并且使检测电路冗余化。

另外，为了过电压检测，由分压电路141b分压的电压作为HV监视电压被输入到放大器440，该电压经由缓冲电路BF、绝缘元件101，作为副检测电压Sub_HV被输出到控制器100。

过电压状态是电力供给线300a、300b的正极P和负极N之间的电压高于半导体装置301和平滑用电容器500b等的额定电压的状态。并且，过电压状态是以由传感器电路140b以及栅极驱动电路400b内的过电流检测电路这两者来检测的方式进行冗余化。此时，存在传感器电路140b和过电流检测电路双方都正常动作的情况和传感器电路140b异常动作的情况。

从传感器电路140b向控制器100输入检测电压V2，从栅极驱动电路400b向控制器100输入副检测电压Sub_HV和不可信号FAIL。

如果在不产生过电压的电压电平下检测电压V2和副检测电压Sub_HV的差分为规定电压以上，则控制器100判定为传感器电路140b异常。

另外，在检测电压V2和副检测电压Sub_HV分别为阈值以下的情况下，在输入了不可信号FAIL的情况下，控制器100判定为过电流状态。

此外，如果检测电压V2或副检测电压Sub_HV中的至少一个超过阈值并且检测电压V2和副检测电压Sub_HV的差分为规定电压以下，则控制器100判定为过电压状态。

图3是表示传感器电路140b和过电流检测电路双方都正常时的过电压保护的动作的时序图。图3的(A)表示电力供给线300a、300b的正极P和负极N之间的电压，图3的(B)表示过电流检测电路的检测线OC的电压(实线)和传感器电路140b的检测电压V2(点划线)，图3的(C)表示不可信号FAIL，图3的(D)表示过电压检测信号OV2，图3的(E)表示从驱动电路421输出的驱动信号PWM_OUT，图3的(F)表示从控制器100输出的驱动信号PWM。

如图3的(A)所示，电力供给线300a、300b的正极P和负极N之间的电压在时刻t1开始上升。然后，当在时刻t2达到规定电压V_PN2时，如图3的(B)的点划线所示，传感器电路140b的检测电压V2超过阈值电压HV_OV2。此时，如图3的(D)所示，传感器电路140b输出过电压检测信号OV2。该过电压检测信号OV2输出到AND门450的一方，切断从控制器100输出的PWM信号，如图3的(E)所示，栅极驱动IC 410的驱动信号PWM_OUT成为Low，使开关元件断开。另外，在相同的时刻t2，如图3的(B)的实线所示，与分压电路141b的HV监视电压连接的检测线OC的电压比阈值电压Vref高，由比较器430等构成的过电流检测电路以与开关元件的过电流保护相同的动作进行过电压保护。然后，使开关元件断开。进而，如图3的(C)所示，从过电流检测电路向控制器100输入不可信号FAIL。

即，在传感器电路140b和过电流检测电路双方都正常的情况下，通过双方的电路检测过电压状态，执行过电压保护动作。

图4是表示传感器电路140b异常而较低地输出检测电压V2时的过电压保护的动作的时序图。图4的(A)表示电力供给线300a、300b的正极P和负极N之间的电压，图4的(B)表示过电流检测电路的检测线OC的电压(实线)和传感器电路140b的检测电压V2(点划线)，图4的(C)表示不可信号FAIL，图4的(D)表示过电压检测信号OV2，图4的(E)表示从驱动电路421输出的驱动信号PWM_OUT，图4的(F)表示从控制器100输出的驱动信号PWM。

如图4的(A)所示，电力供给线300a、300b的正极P和负极N之间的电压在时刻t1开始上升。而且，即使在时刻t2达到规定电压V_PN2，由于传感器电路140b异常而较低地输出检测电压V2，所以如图4的(B)的点划线所示，传感器电路140b的检测电压V2也不会超过阈值电压HV_OV2。因此，即使正极P和负极N之间的电压为过电压状态，由于半导体装置301的DC-DC变换器的动作，电压也继续上升。然后，如图4的(D)所示，上升到在时刻t3达到规定电压V_PN3(V_PN3＞V_PN2)为止，即上升到传感器电路140b的检测电压V2超过阈值电压HV_OV2而输出过电压检测信号OV2为止。因此，正极P和负极N之间的电压有可能超过半导体装置300、301、平滑用电容器500b等的额定电压。但是，在本实施方式中，由于分压电路141b的HV监视电压与检测线OC连接，所以如图4的(B)的实线所示，在检测线OC超过阈值电压Vref的时刻t2，以与过电流保护相同的动作正常地实施过电压保护。然后，如图4的(E)所示，栅极驱动IC 410的驱动信号PWM_OUT成为Low，断开开关元件。进而，如图4的(C)所示，从过电流检测电路向控制器100输入不可信号FAIL。

即，即使在传感器电路140b异常而较低地输出检测电压V2的情况下，也能够通过过电流检测电路检测过电压状态，执行过电压保护动作。

在本实施方式中，通过传感器电路140b以及过电流检测电路来检测电力供给线300a、300b的正极P和负极N之间的电压，因此与进一步独立地设置相当于传感器电路140b的电路的情况相比，能够简化电路构成，抑制电路成本的上升。

图5是电力变换装置200的变形例的详细构成图。在图5中，栅极驱动电路400b图示了与下臂对应的电路，省略了与上臂对应的电路，但与上臂对应的电路也是同样的。对与图1、图2相同的部位赋予相同的符号并省略其说明。

以下说明在图5所示的电力变换装置200的变形例中与图2所示的电力变换装置200不同的地方。

栅极驱动IC 410是内置有比较器460的构成，该比较器460检测来自电力供给线300a、300b的正极P和负极N之间的电压的HV监视电压和阈值电压Vref_OV。即，在HV监视电压超过阈值电压Vref_OV的情况下，比较器460经由缓冲电路BF使断开信号E_off从Low变为High。比较器460的输出之后的电路与过电流检测电路共同使用。

图6是表示在图5所示的电力变换装置200中，传感器电路140b异常而较低地输出检测电压V2时的过电压保护的动作的时序图。图6的(A)表示电力供给线300a、300b的正极P和负极N之间的电压，图6的(B)表示HV监视电压(实线)和传感器电路140b的检测电压V2(点划线)，图6的(C)表示不可信号FAIL，图6的(D)表示过电压检测信号OV2，图6的(E)表示从驱动电路421输出的驱动信号PWM_OUT，图6的(F)表示从控制器100输出的驱动信号PWM。

另外，在图5所示的电力变换装置200中，表示传感器电路140b和过电流检测电路双方都正常时的过电压保护的动作的时序图与图3相同，因此省略其说明。

如图6的(A)所示，电力供给线300a、300b的正极P和负极N之间的电压在时刻t1开始上升。而且，即使在时刻t2达到规定电压V_PN2，由于传感器电路140b异常而较低地输出检测电压V2，所以如图6的(B)的点划线所示，传感器电路140b的检测电压V2也不会超过阈值电压HV_OV2。因此，即使正极P和负极N之间的电压为过电压状态，由于半导体装置301的DC-DC变换器的动作，电压也继续上升。然后，如图6的(D)所示，上升到在时刻t3达到阈值电压V_PN3为止，即上升到传感器电路140b的检测电压V2超过阈值电压HV_OV2为止。因此，正极P和负极N之间的电压有可能超过半导体装置300、301、平滑用电容器500b等的额定电压。但是，根据本实施方式，由比较器460检测分压电路141b的HV监视电压。因此，在HV监视电压超过阈值电压Vref_OV的时刻t2，比较器460以与过电流保护相同的动作正常地实施过电压保护。然后，如图6的(E)所示，栅极驱动IC 410的驱动信号PWM_OUT成为Low，断开开关元件。进而，如图6的(C)所示，从过电流检测电路向控制器100输入不可信号FAIL。

即，即使在传感器电路140b异常而较低地输出检测电压V2的情况下，也能够通过过电流检测电路检测过电压状态，执行过电压保护动作。

另外，在图2～图6中，以构成图1中的DC-DC变换器的开关元件的栅极驱动电路400b为例进行了说明，但构成逆变器电路的开关元件的栅极驱动电路400a基本上也是同样的构成，执行同样的过电压保护动作。即，具备：由开关元件构成的逆变器电路；检测电力供给线的电压的传感器电路；输入有传感器电路及过电流检测电路的检测结果的控制器，控制器根据传感器电路及过电流检测电路的检测结果，判定传感器电路的异常。

在本实施方式中，通过传感器电路140b以及过电流检测电路来检测电力供给线300a、300b的正极P和负极N之间的电压，因此与进一步独立地设置相当于传感器电路140b的电路的情况相比，能够简化电路构成，抑制电路成本的上升。

根据以上说明的实施方式，能够得到以下的作用效果。

(1)栅极驱动电路400a、400b控制施加在开关元件的栅极端子上的栅极电压，驱动开关元件。栅极驱动电路400a、400b具备根据流过开关元件的电流值检测过电流状态的过电流检测电路，向过电流检测电路输入与开关元件连接并向开关元件供给电力的电力供给线300a、300b的监视电压，在监视电压为规定的阈值以上的情况下，过电流检测电路检测为过电压状态。由此，能够简化检测过电流状态或过电压状态的电路构成，抑制电路成本的上升。

本发明不限于上述实施方式，只要不损害本发明的特征，在本发明的技术思想的范围内考虑的其他方式也包含在本发明的范围内。

符号说明

10…低压电池，100…控制器，101…绝缘元件，140b…传感器电路，141b…分压电路，144、145、430、460…比较器，200…电力变换装置，300a、300b…电力供给线，300、301…半导体装置，302…电抗器，400a、400b…栅极驱动电路，410…栅极驱动IC，420…预驱动电路，440…放大器，450…AND门，500a、500b…平滑用电容器，900…马达，902…高压电池，903…接触器，BF…缓冲电路，Rg、Rsft…电阻器，D4、D5…二极管，OC…检测线，Vref、Vref_OC、Vref_OV…阈值电压，Sub_HV…副检测电压，PWN、PWM_OUT…驱动信号，E_off…断开信号，Es…电流感测信号，V2…电压检测信号，OV2…过电压检测信号，FAIL…不可信号。

Claims (6)

1.一种栅极驱动电路，其控制施加在开关元件的栅极端子上的栅极电压，驱动所述开关元件，所述栅极驱动电路的特征在于，

具备根据流过所述开关元件的电流值检测过电流状态的过电流检测电路，

向所述过电流检测电路输入与所述开关元件连接并向所述开关元件供给电力的电力供给线的监视电压，

在所述监视电压为规定的阈值以上的情况下，所述过电流检测电路检测为过电压状态。

2.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，

在所述过电流检测电路检测到所述过电流状态或所述过电压状态的情况下，停止所述开关元件的驱动。

3.根据权利要求2所述的栅极驱动电路，其特征在于，

所述过电流检测电路检测将所述电流值变换为电压值而输出的检测线的电压值，

所述电力供给线的所述监视电压的输出与所述检测线连接，

在所述检测线的电压值为所述规定的阈值以上的情况下，所述过电流检测电路检测为所述过电流状态或所述过电压状态，停止所述开关元件的驱动。

4.根据权利要求2所述的栅极驱动电路，其特征在于，

所述过电流检测电路具备：第1比较器，其比较将所述电流值变换为电压值而输出的检测线的电压值是否为第1阈值以上；以及第2比较器，其比较所述监视电压的电压值是否为第2阈值以上，

通过所述第1比较器或所述第2比较器的检测来停止所述开关元件的驱动。

5.一种电力变换装置，其特征在于，具备：

权利要求1至4中任一项所述的栅极驱动电路；

由所述开关元件构成的DC-DC变换器；

检测所述电力供给线的电压的传感器电路；以及

输入有所述传感器电路和所述过电流检测电路的检测结果的控制器，

所述控制器根据所述传感器电路和所述过电流检测电路的检测结果，判定所述传感器电路的异常。

6.一种电力变换装置，其特征在于，具备：

权利要求1至4中任一项所述的栅极驱动电路；

由所述开关元件构成的逆变器电路；

检测所述电力供给线的电压的传感器电路；以及

输入有所述传感器电路和所述过电流检测电路的检测结果的控制器，

所述控制器根据所述传感器电路和所述过电流检测电路的检测结果，判定所述传感器电路的异常。